裴秀娟 鄭占申 宋子春 樊立永 李 鵬

(1 華北理工大學材料科學與工程學院河北省無機非金屬材料重點實驗室 河北 唐山 063210)(2 惠達衛(wèi)浴股份有限公司 河北 唐山 063307)

陶瓷生產中用于燒成工序能源消耗約占60%左右，陶瓷窯爐是一種高能耗、高煙氣排放的熱工設備，降低陶瓷窯爐單位產品燃料消耗量及CO2、SO2和NOx排放量是陶瓷行業(yè)可持續(xù)發(fā)展亟待解決的問題。空氣系數(shù)的大小對于窯爐中燃料燃燒的完全程度、燃料消耗量、燃燒溫度、煙氣輻射能力、熱效率、煙氣量、氣氛等有著非常重要的影響，其中，控制最佳空氣系數(shù)是保證產品質量和實現(xiàn)窯爐節(jié)能減排的重要措施之一。

1 我國陶瓷窯爐空氣系數(shù)的現(xiàn)狀

目前我國陶瓷窯爐的燃氣燃燒控制只限于滿足溫度和氣氛要求，導致窯爐的實際空氣系數(shù)普遍處于失控狀態(tài)。燃氣完全燃燒的最佳空氣系數(shù)應為1.05～1.10，而國內陶瓷燃氣窯爐空氣系數(shù)一般為1.5～1.7，有的窯爐甚至更高?？諝庀禂?shù)大時，會造成煙氣量大、燃燒溫度低、煙氣輻射力小、燃氣消耗量大等問題，且煙氣離窯時帶走的熱量多，煙氣在窯爐系統(tǒng)中的流速增大，阻力損失也隨之增加，排煙風機的電能消耗增大；空氣系數(shù)小于最佳值，會造成燃氣燃燒不完全從而導致燃氣浪費；調節(jié)最佳空氣系數(shù)，可在滿足產品燒成工藝要求的同時，既能最大限度地實現(xiàn)節(jié)能減排降消耗，降低陶瓷制品的生產成本，減小對大氣的污染，又能提高產品的產量和質量，推動陶瓷產業(yè)的綠色化發(fā)展。

2 空氣系數(shù)的有關概念

燃料燃燒時，實際空氣量與理論空氣量的比值稱為空氣系數(shù)。理論空氣量是指單位體積的氣體燃料在理論上完全燃燒時所需要的空氣體積量。這里的“在理論上完全燃燒”是指按照燃料中的可燃成分與氧氣的化學反應方程式進行完全燃燒。實際空氣量是指單位體積的氣體燃料燃燒時實際供給的空氣體積量。

在實際燃燒過程中，若僅提供理論空氣量，雖然按化學反應方程式理論上能夠完全燃燒，但由于空氣與燃料的混合均勻性達不到理想程度或燃燒速度較慢等實際原因，會造成燃料的不完全燃燒。因而，為了確保燃料完全燃燒，實際空氣量要比理論空氣量大些?？諝庀禂?shù)的確定與燃料的種類、燃燒方法、燃燒設備及燒成制品對窯爐氣氛的要求等因素有關。

3 空氣系數(shù)對陶瓷窯爐節(jié)能減排的影響

(1)空氣系數(shù)對排煙量的影響。空氣中約有21%的O2和79%N2。燃料燃燒時，助燃空氣中只有O2用于可燃組分的氧化反應；而N2不參與氧化反應，直接進入煙氣中。因此，空氣系數(shù)愈大過剩的空氣量愈大，帶入的N2量愈大所產生的煙氣量就愈大。某陶瓷廠窯爐采用天然氣為燃料，其組成如表1。

通過熱工計算可得不同空氣系數(shù)時的實際空氣量、實際煙氣量及煙氣組成，如表2所示。

表1 天然氣的組成

表2 不同空氣系數(shù)時的實際空氣量、實際煙氣量及其組成

由表2可知，當空氣系數(shù)由1.6降為1.1時，燃燒1 Nm3的天然氣產生的實際煙氣量由16.2231 Nm3降為11.4641 Nm3，減少了29.3%的排煙量。并且由于減小了實際空氣量，降低了窯內N2量和過剩的O2量，因而可有效地減少了煙氣中NOx的產生。表2中空氣系數(shù)與煙氣量間的關系也可以用圖1表示。從圖1中可以看出，實際煙氣量隨著空氣系數(shù)的降低而顯著降低。

圖1 空氣系數(shù)與實際煙氣量的關系

(2)空氣系數(shù)對理論燃燒溫度的影響。空氣系數(shù)的大小直接影響燃料燃燒的完全程度和煙氣量的大小，從而影響燃燒溫度。若空氣系數(shù)小于1則空氣量不足，產生化學不完全燃燒，使燃燒溫度降低。當空氣系數(shù)為1時，即實際空氣量等于理論空氣量，由于空氣與燃料的混合均勻性達不到理想程度或燃燒速度較慢等實際原因，亦會造成燃料的不完全燃燒，使燃燒溫度降低。因此，為了確保燃料完全燃燒，實際空氣量要比理論空氣量大些，即空氣系數(shù)大于1。

燃料的種類不同，與空氣的接觸比表面積和混合程度不同，燃燒速度不同，達到完全燃燒時的空氣系數(shù)亦不同。對于氣體燃料，完全燃燒的最佳空氣系數(shù)應為1.05～1.10。當空氣系數(shù)大于最佳值時，隨著空氣系數(shù)的增大，產生的煙氣量增大，燃燒溫度降低。

因此，在保證燃料完全燃燒的前提下，選擇最小的空氣系數(shù)，既保證燃料的充分燃燒，又使產生的煙氣量最少，從而燃燒溫度達到最高。當然，若陶瓷制品需要還原性窯爐氣氛時，在窯爐的還原氣氛段空氣系數(shù)要略小于1，以確保煙氣中含有CO，使煙氣具有還原性。以表1天然氣為例，可計算出不同空氣系數(shù)時的理論燃燒溫度，如表3所示。

表3 不同空氣系數(shù)時的理論燃燒溫度

由表3可知，空氣系數(shù)由1.6降為1.1時，理論燃燒溫度提高了36.7%。因此，當窯溫不變時，空氣系數(shù)由1.6降為1.1，可以大大降低燃氣消耗量，因此，亦可以有效地減少CO2和SO2的排放量。表3中空氣系數(shù)與理論燃燒溫度間的關系也可以用圖2表示，可以看出，理論燃燒溫度隨著空氣系數(shù)的降低而升高。

圖2 空氣系數(shù)與理論燃燒溫度的關系

(3)空氣系數(shù)對煙氣輻射力的影響。在陶瓷窯爐溫度范圍內，稀有氣體和對稱的雙原子氣體(如O2、N2等)輻射力很小，可認為是透熱體。煙氣中SO2量又很小，因此，煙氣輻射力的大小主要取決于其中的CO2和H2O的輻射力。煙氣中CO2和H2O的含量愈高，CO2和H2O的分壓愈大，煙氣的輻射率(黑度)愈大，煙氣輻射給制品的熱量愈高?？諝庀禂?shù)的大小直接影響到煙氣的組成，如表2所示。隨著空氣系數(shù)的增大，煙氣中的O2和N2的含量增大，CO2和H2O的含量降低，則煙氣的發(fā)射率(黑度)和輻射力降低，因此煙氣對制品的輻射傳熱效率降低，尤其在高溫階段最為明顯。以表1天然氣為例，取煙氣溫度為1 200 ℃時，可計算出不同空氣系數(shù)時的煙氣發(fā)射率見表4。

表4 不同空氣系數(shù)時的煙氣發(fā)射率

由表4可知，α=1.1時的煙氣發(fā)射率約為α=1.6時的煙氣發(fā)射率的1.28倍。即當窯溫、裝窯密度和制品相同時，空氣系數(shù)由1.6降為1.1時，煙氣與制品間的輻射熱量可以提高約28%，可大大提高窯爐內煙氣與制品間的輻射傳熱效率，因而可有效地降低燃料消耗量或縮短燒成周期。圖3為空氣系數(shù)與煙氣發(fā)射率間的關系曲線。從圖3中可以看出，煙氣發(fā)射率隨著空氣系數(shù)的降低而增大。

圖3 空氣系數(shù)與煙氣發(fā)射率的關系

(4)空氣系數(shù)與煙氣離窯帶走熱量的關系?？諝庀禂?shù)愈大，產生的煙氣量愈大，煙氣離窯時帶走的熱量就愈大，窯爐的熱損失愈大。假設煙氣離窯溫度為100 ℃，在相同燒成溫度的條件下，空氣系數(shù)由1.6降為1.1時煙氣離窯帶走的熱量可減少約1 022 kJ/Nm3天然氣。因此，當窯爐內其他條件不變時，隨著空氣系數(shù)的減小，煙氣離窯帶走的熱量減小，并且煙氣對空氣的熱污染亦隨之減小。

(5)空氣系數(shù)對煙氣流動阻力的影響。在相同窯溫和裝窯密度的條件下，空氣系數(shù)愈大，煙氣量就愈大，則煙氣流速增大，阻力損失也隨之增加，排煙風機的動能消耗增大。計算可知，α=1.6時的煙氣流動阻力大約為α=1.1時煙氣流動阻力的3.34倍。因此，當保持窯壓不變時，排煙風機的電耗會隨著空氣系數(shù)的減小而降低。但是，隨著空氣系數(shù)的減小，煙氣流速的減小，煙氣與制品間的對流換熱效率會有所降低。

綜上所述，將陶瓷窯爐較大的空氣系數(shù)調低至最佳值，其影響如下：①可以有效地提高燃燒溫度、增大煙氣的輻射能力、降低煙氣離窯時的熱量損失，從而提高窯爐熱效率，降低燃料消耗量，降低陶瓷的生產成本提高產量。②可以減少煙氣、CO2、SO2和NOx的排放量，降低煙氣對空氣的熱污染，有效地降低陶瓷生產對大氣的污染。③顯著降低煙氣在窯內的流動阻力和排煙風機的電耗。因此，控制窯爐最佳的空氣系數(shù)對陶瓷行業(yè)節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展具有很大的經濟效益和社會效益。